第7章 流变学与变形机制

1、第八章第八章 流变学和变形机制流变学和变形机制Rheology and deformation mechanisms 流变学是物理学的分支，它是以研究物质在外力场或其它物理场作用下变形和流动的学科，是以现代材料科学、物理冶金学、物理学、连续介质力学等学科的知识为基础发展起来的一门交叉学科。具体地讲，流变学是研究材料变形的力学性质和状况的新的力学分支，主要是探讨材料在应力、应变、温度、压力、流体等条件下与时间有关的变形、流动和破坏的规律，即时间效应时间效应。1 概述（概述（Introduction） 11 流变的定义（流变的定义（Definition of rheology） 流变学形成于19世

2、纪30年代。1929年，美国学者E.C.Binghan创建了美国流变学协会，并创立“流变学”杂志，从此流变学作为物理学的分支，出现于物理学和材料科学领域之中。 流变学的发展与世界工业化进程和经济发展密切相关。作为一门边缘学科，它同物理学中物性学、力学，材料科学有密切联系，也同胶体化学、高分子化学、生命科学、医学、耐高温金属、陶瓷、高强度高质量材料研究也有密切关系。因此，流变学相继派生出胶体流变学、固体材料流变学、医学流变学、生物流变学、血液流变学、辐射流变学等新的领域。 在地球科学中，人们很早认识到变形与时间效应具有密切的关系。地壳表面丰富多彩地质景观现象和地球物理现象：如冰川期之后的上升、冰

3、川流动、层状岩石的褶皱、造山作用、地震成因、断裂蠕动摩擦等，无不与流变学相关。地球内部介质的物理力学过程，如岩浆流动和喷发、地幔对流、板块漂移都与岩石高温高压流变学有关，因此在地球科学中形成不同的分支学科：地球流变学，岩石圈流变学，地球流变学，岩石圈流变学，岩石流变学和流变构造学（岩石流变学和流变构造学（Rheological tectonics）。）。 12 岩石流变学岩石流变学地球科学领域中研究流变学有两种途径：地球科学领域中研究流变学有两种途径： （1）宏观流变学：宏观流变学：从地球、岩石圈、造山带尺度范围研究岩石和地块的宏观流动现象连续介质力学方法。 （2）显微流变学：显微流变学：从岩

4、石矿物微观尺度研究固体物质流动现象的物理机制位错蠕变和扩散蠕变。 12 岩石流变学岩石流变学1.3 与流变学有关的几个基本概念与流变学有关的几个基本概念n弹性（弹性（elasticity）：）：指物体在外力作用下变形，当外力除去之后，物体能完全恢复原状这种性能，通常所说的可逆变形。n塑性（塑性（Plasticity）：）：是指物体在外力作用下立即产生变形，但在外力消除之后，变形不会恢复原状并且永远不会自行恢复的这种性质，即通常所说的不可逆变形； 后者称为“永久变形”、“残余变形”。早期文献中塑性的另一名称为“范性”或“柔性”。1.3 与流变学有关的几个基本概念与流变学有关的几个基本概念n粘性（

5、粘性（viscosity）：）：是指流体受外力作用运动时，分子间产生的内磨擦力。牛顿（Newton）用公式表达了流体粘性（）概念：流体剪应力与剪应变速率和粘性（）成正比，而与应力作用的时间成反比。 n脆性（脆性（Brittle behavior）：）：材料在应力-应变曲线早期产生破裂的性质（即破裂之前总应变少于5%）。n韧性（韧性（Ductile behavior）：）：指材料破裂之前塑性变形过程很长的材料。汉丁（Handin, 1966）用断裂之前的总应变来估计脆性-韧性，应变达5-8%被认为中等韧性，超过10%就是韧性。62GGc 21 位错概念的由来位错概念的由来 位错（Dislocat

6、ion）是晶体缺陷（defect），最初是人们根据塑性变形理论推断出来的。20世纪三十年代，材料科学家就对晶体的塑性变形进行了大量研究工作，建立了完整晶体塑性变形的滑移模型，并根据这种模型计算出金属晶体的理论强度（c）： c晶体临界剪切应力，G晶体剪切模量。 这个表达式说明：金属晶体临界剪切应力（理论强度值）约为该晶体剪切模量G的1/6左右。但是人们很快就发现，这种模型计算的金属晶体理论强度值与实验测定值相差很大，相差可达到102104数量级。 这种巨大差异，使人们提出了关于晶体存在缺陷的设想（Talar, 1931年）。于是有人提出位错是造成材料强度弱化、变形和流动的根源，并开始把位错模型引

7、入金属变形及力学性质来，初步形成了位错理论。直到五十年代初，英国科学家Hirch用透射电子显微镜（TEM）直接观察到位错形态和运动后，有关位错的理论才为实验所证实，位错理论才被广泛接受和应用。2 位错理论基本知识位错理论基本知识金属临界剪切强度理论值与实验值比较（引用金属临界剪切强度理论值与实验值比较（引用Mott） 位错理论目前已成为金属晶体、陶瓷、岩石、矿物力学性质和塑性变形研究的理论基础，比较成功地解释了材料位错理论目前已成为金属晶体、陶瓷、岩石、矿物力学性质和塑性变形研究的理论基础，比较成功地解释了材料科学、地球物质科学中一系列重要问题。科学、地球物质科学中一系列重要问题。材料名称材料

8、名称剪切模量（剪切模量（G） Pa/cm2实验弹性极限值实验弹性极限值 (c) Pa/cm2G/cSn单晶1.910111.310715 000Ag单晶2.81011610645 000Al单晶2.51011410660 000Al单晶2.510112.6108900Al拉丝2.510119.9108250软Fe，多晶7.710111.5109500碳钢810116.5109120Ni-铝钢810111.2101065 22 什么是位错（什么是位错（Dislocation） 完整晶体的塑性变形方式完整晶体的塑性变形方式 1滑移（滑移（glide） 在外力作用下，晶体的一部分相对另一部分，沿原子

9、面从一个平衡位置平移到另一个平衡位置，这个过程叫滑移。 2双晶（双晶（twinning） 在外力作用下，晶体的一部分相对另一部分，沿着一定晶面和一定的晶向发生切变，切变之后两部分晶体的位向以切变面为镜面，呈对称关系，这种变形方式叫双晶化（或孪晶）。 晶体的缺陷（晶体的缺陷（crystal defect） 晶体缺陷理想完整晶体中原子往往做周期性规则排列。而偏离规则排列的晶体，常引起晶体缺陷。晶体的缺陷对晶体结构性能（强度、塑性、相变、扩散、重结晶、氧化还原）产生重大影响。 1点缺陷（点缺陷（Point defect）是指晶体中空间点阵各个方向有很小的缺陷，即空位和填隙原子。 空位（空位（Vaca

10、ncy）是晶体点阵失去一个原子或离子，因而形成晶格点阵中的空缺，叫Schottky缺陷。 填隙（填隙（interstitial）当原子从晶体正常点阵位置转移到点阵间隙位置，叫Frenkle缺陷。空位和填隙原子的形成和运动会引起点阵畸变，造成原子迁移，促使金属晶体自扩散和塑性变形。 2线缺陷（线缺陷（line defect）或位错（）或位错（dislocation） 位错（位错（dislocation）沿着晶体空间点阵某一维方向上产生线状缺陷，称为位错，在所有晶体缺陷中位错是最为重要的。晶体的缺陷晶体的缺陷刃位错的形成刃位错的形成螺位错的形成螺位错的形成 2位错研究方法位错研究方法 位错理论的确

11、定和发展，是与位错观测技术的发展密切相关的。位错观测技术方法主要有： （1）光学观察：光学观察：早期通过光学显微镜观察自由长大的螺形式晶体表面的方法，例如验证了弗兰克关于“位错台阶式”晶体长大方式的设想。 （2）化学浸蚀法：化学浸蚀法：利用化学浸蚀或腐蚀显示晶体表面的位错“露头方法”。由于位错中心和附近的晶体点阵发生了畸变，因此杂质等溶质原子偏聚在这里，显示位错蚀抗。 2位错研究方法位错研究方法 （3）缀饰法或氧化法：缀饰法或氧化法：溶质（或杂质）原子趋向于偏聚在位错线及其附近。缀饰法是选择具有一定光学特性的沉淀粒子做溶质，以它缀饰位错，使位错在光学显微镜被直接观察。Si单晶中弗兰克瑞德位错源

12、和橄榄石氧化法就是两个典型例子。 （4）电子显微镜分析法（电子显微镜分析法（TEM）：）：利用位错对电子入射波的衍射强度不同，直接观测位错几何形态特征、位错取向和伯格斯矢量（b）大小和方法，准确测定矿物塑性变形的滑移体系（即滑移面和滑移方向的指标化）。Typical subgrain structure in olivine, Katin, LauningMultiple cross-slip screw and loops, Mingxi, Fujian, Eastern China. 3 岩石变形机制岩石变形机制 脆性变形（脆性变形（Brittle deformation） 破裂作用（破裂

13、作用（Fracturing） 碎裂流动（碎裂流动（Cataclastic flow） 塑性变形（塑性变形（Plastic deformation） 晶内滑移（晶内滑移（Intracrystalline glide） 位错蠕变（位错蠕变（Dislocation Creep） 动态恢复和动态重结晶作用动态恢复和动态重结晶作用 扩散蠕变（扩散蠕变（Diffusion creep） 3.23.2脆性变形脆性变形（Brittle deformation） 破裂作用破裂作用（Fracturing）是指岩石和矿物在应力作用下失去本身完整连续性而产生裂开、扩展及有关破坏作用过程。破裂作用微观机制是与位错运动有

14、关，当沿滑移面运动的位错受到晶界、杂质等界面的阻碍时，发生塞积、缠结，并局部产生应变硬化，使岩石或矿物强度加大，随着应力作用的持续增加，最终发生破裂。 碎裂流动碎裂流动（Cataclastic flow）是指岩石和矿物被细微密集的裂隙所切割，而整体不失去连续性的变形。碎裂流动变形的岩石在宏观上保持连续性，显示塑性变形特征；而在微观上则表现为显微破裂和粒间滑动，显示脆性变形特征。3.2塑性变形（塑性变形（Plastic deformation） i、晶内滑移（、晶内滑移（Intracrystalline glide） （a）平面滑移由于位错在晶内的滑动，引起晶内沿滑移面发生位移。平面滑移不但可以

15、使晶体改变形状，也可以形成矿物集合体形态（SPO）或结晶学优选方位（LPO）。 （b）双晶滑移（twin glide）双晶滑移是由于位错在晶内滑动使位移两侧相对滑移面（对称面）成镜象对称，即产生机械双晶，或称变形双晶或孪晶。ii、位错蠕变（、位错蠕变（Dislocation Creep） 位错蠕变位错蠕变是指在低应变速率（）和低应力（ ）作用下岩石随时间而发生的明显稳态流动变形。塑性变形的本质是位错在热动力作用下的运动塑性变形的本质是位错在热动力作用下的运动。高温高压变形实验已证实，高温蠕变是与应力（ ）、温度（T）、压力（P）、应变速率（ ）、氧逸度（fo2）、化学组分（）具有一定函数关系的

16、状态方程（即幂律方程）。这一成果与冶金物理学中金属和陶瓷硅酸盐材料中所获得的蠕变实验资料是吻合的，其函数关系可以表达为：=f(, T, P, fo2, ) 。岩石流变学方程的通式可写为： =A n exp-(Q+V*P)/(R*T) n应力指数，A物质结构常数，Q与温度有关的蠕变活化能，V 与压力有关的蠕变活化体积，R气体常数。位错蠕变类型位错蠕变类型 根据T/Tm同调温度（homologous temperature，Tm为熔融温度）不同，位错蠕变可分为两类： （1）位错滑移蠕变（）位错滑移蠕变（ T/Tm 0.3） 这种蠕变主要是在相对较低温度条件下，位错沿滑移面运动与障碍物质点反应而成的

17、（例如：轧钉位错，出溶物，缠结），它的流动应力指数n=2.5。 （2）高温位错蠕变（）高温位错蠕变（high T dislocation creep） 位错在高温（ T/Tm 0.3）在低应力条件下通过自身的增殖和柏氏向量相同符号相反而湮灭作用，重新排列形成低能的稳态亚颗粒（亚晶粒）构造。这种亚晶粒构造，不仅是高温稳态流动显微构造的最重要标志，而且还可以作为流动古应力值计算的显微构造定量参数，它的流动应力指数n=3.0-3.5。恢复作用与重结晶作用恢复作用与重结晶作用 高温低应力变形时，矿物内部会不断地产生位错，而位错在热动力平衡过程中是不稳定的，总是趋向于被消除。位错消除的方式可以是连续的方

18、式连续的方式，即在晶体结构不变的情况下位错发生重新排列、抵消和湮灭的恢复作用，也可以是不连续不连续的方式的方式，即无位错颗粒的生长所引发的重结晶作用。 （1）动态恢复作用（）动态恢复作用（Dynamic Recovery） 在较高温度（ T/Tm 0.5）变形或蠕变过程中出现的动态恢复作用，有利于塑性变形继续进行。动态恢复时具有特定的应力-应变曲线特征，通常显示三个不同的变形阶段：微应变阶段（0.5）变形时，或在一定临界应力和较慢应变速率蠕变产生的重结晶作用又称同构造重结晶作用(Syntectonic Recrystallization)。通常在变形时位错聚集的速率越快，颗粒边界迁移能力越强，

19、动态重结晶作用越明显。动态重结晶作用主要有两种方式：亚颗粒旋转（Subgrain Rotation, SGR）和颗粒边界迁移（Grain boundary Migration, GBM）。 动态重结晶作用的两种主要方式：动态重结晶作用的两种主要方式： （a）亚颗粒旋转（Subgrain Rotation, SGR）：在变形过程中，动态恢复作用形成的亚颗粒（Subgrain）随着应变的增大逐渐旋转，使相邻亚颗粒边界位向差超过10-15，形成大角度边界，产生无位错或位错极少的新晶粒。 （b）颗粒边界迁移（Grain boundary Migration, GBM）：在矿物颗粒的高位错密度域，当位错

20、密度超过一定临界值时，以晶体应变能为驱动力，颗粒以突出成核的方式迁移，形成锯齿状、撕裂状不规则界面的无位错或位错极少的新晶粒。塑性变形过程中的竞争作用塑性变形过程中的竞争作用（Competing Processes during plastic deformation） 矿物晶体在应力作用下变形量逐渐增大，引起位错密度增加，内应力也增大，使晶体强度不断提高，出现应变硬化，使晶体变形愈来愈困难。而动态恢复作用和动态重结晶作用的结果是使应变造成的高位错密度减少、消失和恢复，引起应变软化应变软化（Strain softening），达到动态平衡，最终由位错低的无应变颗粒代替了位错密度高的应变硬化应变

21、硬化高应变颗粒。 动态重结晶作用产生的效果：动态重结晶作用产生的效果： （a）矿物颗粒粒度明显减小； （b）晶体力学强度弱化，应变软化增加晶体的韧性； （c）细小粒度有利于颗粒边界迁移。 3.3 扩散蠕变（扩散蠕变（Diffusion creep） 扩散蠕变扩散蠕变在高温低应力的变形条件下，通过矿物中点缺陷（空位和杂质）和质点（原子和离子）沿颗粒内部或颗粒边界产生物质扩散和运动，而导致蠕变。扩散蠕变按其控制因素和作用方式不同可分为二类： （a）晶内扩散蠕变）晶内扩散蠕变纳巴洛纳巴洛-赫林蠕变（赫林蠕变（Nabbro-Herring creep）：）：在一定温度和应力作用下空位和质点沿着晶粒内部

22、从高密度部位向低密度部位扩散引起岩石或矿物的塑性变形。 （b）干晶粒边界扩散蠕变）干晶粒边界扩散蠕变柯柏尔蠕变（柯柏尔蠕变（Coble creep） 在一定温度和应力作用下空位和质点沿着颗粒之间的界面迁移和运动而引起岩石和矿物塑性变形。4 大陆地壳构造的流变学模型大陆地壳构造的流变学模型 Carter等（1987）以构造层次的观点建立了大陆地壳构造模型，这个模式具有浓厚的流变学色彩。对不同构造层，可以利用不同温度、压力条件下起主导作用的变形机制加以区分：一般而言，破裂作用主要出现于地表浅部；位错滑动、位错蠕变、扩散蠕变等则多出现在地壳深部或下地壳部分或上地幔中；脆-韧性变形出现在中等深度。脆-韧性变形这一深度往往与地震的发生有关。大陆华北地区大部分地震的震源深度一般都发生在10-15km左右的脆-塑性转化带中。5 脆脆韧性过渡变形域韧性过渡变形域 有些岩石和矿物在这个过渡带表现为塑性行为，而另一些岩石和矿物则表现为以脆性变形为主，转换带深度和厚度取决于矿物和岩石的力学性质，压力、流体压